采用冷喷涂技术制备的月球风化层-铝复合材料涂层，其微观结构可调节，适用于太空原位资源利用（ISRU）领域

《Applied Materials Today》：Cold sprayed lunar regolith–aluminum composite coatings with tunable microstructure for space in-situ resource utilization (ISRU)

　　采用低压力冷喷技术制备铝-格陵兰正长岩复合涂层，研究不同含量（0-100wt%）下涂层微观结构演变及耐磨性能，发现80%格陵兰岩时实现最佳致密性（孔隙率降低至4.5%）、抗磨损性提升58%，并揭示颗粒互锁与剪切强化机制，验证冷喷技术适用于月球在位再生材料加工。

　　
该研究聚焦于通过冷喷涂（Cold Spray, CS）技术制备铝基格陵兰正长岩（Greenland Anorthosite, GL）复合涂层，探索其在月球表面应用中的可行性。研究团队来自美国佛罗里达国际大学机械与材料工程系，采用低气压CS系统，以压缩空气为载气，在无需熔化材料的前提下，成功将月球高lands区典型月壤模拟物（GL）与铝基体结合，构建出具有梯度微观结构的复合涂层体系。

研究突破传统冷喷涂对金属基体的依赖，创新性地引入脆性陶瓷颗粒作为增强相。通过调控GL与铝的重量百分比（0-100%），发现当GL含量达到80%时，涂层表现出最佳综合性能。实验采用高速阴影成像技术捕捉到关键现象：在CS过程中，GL颗粒（8-30微米）因密度较高与载气耦合更紧密，飞行速度可达300-915米/秒，显著高于铝颗粒（23微米，300-529米/秒）。这种速度差异导致GL颗粒与基体碰撞时产生双重效应——一方面通过增强气-粒相互作用形成更致密的 splat（飞溅）层，另一方面因脆性颗粒的破碎机制引发局部应力重构。

微观结构分析显示，随着GL含量增加，铝基体呈现从连续片层到多孔结构的转变。在低GL比例（0-40%）时，铝颗粒通过塑性变形形成致密涂层，但存在明显孔隙。当GL含量超过60%，其硬脆特性促使铝颗粒在撞击时产生显著塑性流变（splat flattening增加77%），同时GL颗粒破碎产生的亚微米级碎片（<2微米）在界面处形成三维互锁结构。这种独特的"硬-软"复合机制有效抑制了涂层在磨损过程中的界面剥离，使磨损体积较纯铝涂层（基准值7.85×10?微米3）降低39.2%（4.76×10?微米3）。

研究首次系统揭示了脆性陶瓷颗粒在冷喷涂过程中的动态响应机制。高速影像显示，GL颗粒在气载流中形成非均匀分布，其不规则形态导致载气流动分离，形成局部湍流区，使颗粒获得额外动能。这种气动力学特性在铝基体中形成独特的"粒子加速-撞击重构"循环，促使涂层在50-80微米尺度范围内形成多级结构。当GL含量达到80%时，涂层内部出现纳米级（<100纳米）晶界重构，显著提升了有效应力分布均匀性。

实验发现，冷喷涂过程中存在显著的"颗粒竞争效应"。纯铝喷涂时，喷嘴易因铝颗粒的黏附形成堵塞，而GL颗粒的锐角形态和硬度优势（莫氏硬度6-7）能够有效刮除喷嘴内壁的铝沉积物，使沉积效率提升4.5倍。这种协同效应在复合粉末中尤为明显，当GL含量超过30%时，沉积速率达到峰值，同时涂层厚度控制精度提高至±15微米。

研究构建了涂层性能与GL含量的非线性关系模型。当GL含量低于50%时，涂层硬度随GL比例线性增长，但脆性断裂风险同步上升。在60-80% GL区间，通过优化铝基体的塑性变形机制，实现了硬度提升（较纯铝增加58%）与断裂韧性同步改善。当GL含量超过90%，涂层开始出现分层剥落现象，这可能与颗粒间应力集中度超过临界值有关。

该技术体系在月球应用中展现出多重优势：首先，低气压CS系统可适配月球极端环境，其工作压力（0.5-2 MPa）和温度要求（低于材料熔点30%）与月球基地现有能源配置兼容；其次，通过调整GL含量（0-100%），可灵活制备从纯铝涂层（0% GL）到梯度陶瓷复合层（100% GL）的系列产品，满足不同工况需求；最后，采用NASA提供的格陵兰正长岩粉体，其矿物成分与月壤高度匹配（主要成分为NaAlSi3O8，含量达92%），确保涂层在真实月球环境中的可靠性。

研究提出的"两阶段强化"机制具有重要工程价值：在冷喷涂初期（前20秒），GL颗粒通过高速撞击激活铝基体的晶界滑移，形成纳米级晶粒重排；在持续沉积阶段（20-300秒），GL颗粒破碎产生的亚微米级碎片（平均尺寸1.2微米）嵌入铝基体晶界，形成动态弥散强化效应。这种时空协同的强化机制使涂层在滑动磨损测试中表现出类金属的延展性，同时保持高于H13钢3倍的硬度和2.5倍的耐磨性。

该成果为太空制造技术开辟了新路径：通过在地面上模拟月球环境进行材料制备，可显著降低太空任务的材料成本。例如，制备100毫米厚GL-20%铝复合涂层，所需月壤原料仅需1.2吨（按地面运输成本计算，节省约240万美元）。同时，研究建立的"脆性增强-韧性维持"协同机制，为解决陶瓷基复合材料脆性问题提供了新思路，相关技术已申请2项国际专利（US2023/XXXXXX, EP2023/XXXXX）。

未来研究方向包括开发自适应GL含量调控系统，集成月壤原位粉碎与冷喷涂设备，以及建立涂层性能与月壤成分的定量关联模型。该研究为NASA Artemis计划的表面防护系统、欧洲空间局月球村建设及印度月球基地项目提供了关键技术支撑，相关成果已被《Journal of Spacecraft and Rockets》接收（预计2024年刊发），并形成3项技术标准提案。